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Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Einrichtung zur optischen Fokussierung eines durch einen Projektor projizierten Projektionsbildes, insbesondere zum Einsatz in Standbildprojektoren oder Filmprojektoren.
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Aus dem Stand der Technik sind verschiedene technische Verfahren für eine optische Fokussierung bekannt, bei der eine Scharfstellung ohne einen Eingriff eines Bedieners erfolgt. Auf derartige Verfahren wird daher häufig mit dem Begriff »Autofokus« Bezug genommen.
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Gängige Autofokusverfahren sehen im Wesentlichen Verfahren vor, welche auf einen Phasenvergleich und/oder einer Kontrastmessung mindestens eines Objekts basieren. Bei letztgenannten Verfahren unter Anwendung einer Kontrastmessung wird eine Bildweite eines Objektivs beispielsweise so lange variiert, bis ein gemessener Kontrast ein Maximum erreicht. Derartige Kontrastverfahren eignen sich indes nur bedingt für Objekte mit geringem Kontrast, also insbesondere Objekte oder Projektionen mit einem hohen Anteil an monochromer und kontrastarmer Hintergrundinformation oder mit wenig Farb- oder Graukontrast.
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Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren für eine optische Fokussierung projizierter Bildinformationen anzugeben, dass vom Kontrast der projizierten Bildinformation weitgehend unabhängig ist.
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Eine Lösung der Aufgabe erfolgt durch eine Einrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und, hinsichtlich ihres Verfahrensaspekts, durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 14.
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Zur optischen Fokussierung eines durch einen Projektor projizierten Projektionsbildes ist erfindungsgemäß zunächst vorgesehen, einen Detektor zur zeitgesteuerten Erstellung mindestens einer Beobachtungsaufnahme des Projektionsbildes bereitzustellen. Die erfindungsgemäße Einrichtung umfasst im Weiteren eine Recheneinheit zur Definition mindestens eines zeitperiodisch bezüglich seiner optischen Leistung und/oder seines optischen Spektrums modulierten Bildbereichs innerhalb des durch den Projektor erzeugten Projektionsbildes und zum im Wesentlichen synchronen Vergleich des mindestens einen Bildbereichs des Projektionsbildes und des entsprechenden jeweiligen Bildbereichs der Beobachtungsaufnahme. Die Recheneinheit ist ferner ausgebildet zur Berechnung einer aus dem Vergleich der jeweiligen Bildbereichen abgeleiteten Größe sowie eines aus dieser Größe abgeleiteten Regelsignals, und, zur Ausgabe des Regelsignals an eine Fokussierungseinrichtung des Projektors.
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Der erfindungsgemäß vorgesehene Detektor entspricht gemäß einer möglichen Ausführungsform der Erfindung beispielsweise einem Flächendetektor mit Abbildungsoptik, insbesondere CCD-Kamera (»Charge Coupled Device«). Die zeitgesteuerte Erstellung von Beobachtungsaufnahmen erfolgt beispielsweise zeitperiodisch.
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Die erfindungsgemäße Recheneinheit definiert einerseits mindestens eines zeitperiodisch bezüglich seiner optischen Leistung und/oder seines optischen Spektrums modulierten Bildbereichs innerhalb des durch den Projektor erzeugten Projektionsbildes. Dies bedeutet beispielsweise, dass das durch den Projektor erzeugte Projektionsbild in einem innerhalb des definierten Bildbereichs begrenzten Bildbereich mit dem durch die Recheneinheit definierten Bildbereich überlagert wird, so dass das durch den Projektor erzeugte Projektionsbild in diesem Bildbereich durch den durch die Recheneinheit definierten Bildbereich ersetzt wird. Mit den derzeit üblichen digitalen Projektoren entspricht diese Ersetzung einen einfach zu bewerkstelligenden Eingriff in die das Projektionsbild definierenden Bilddaten.
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Die erfindungsgemäße Recheneinheit ist darüber hinaus dazu eingerichtet, einen im Wesentlichen synchronen Vergleich des mindestens einen Bildbereichs des Projektionsbildes und des entsprechenden jeweiligen Bildbereichs der Beobachtungsaufnahme durchzuführen. Ein »entsprechender« jeweiliger Bildbereich der Beobachtungsaufnahme bedeutet, dass der modulierte Bildbereich innerhalb des durch den Projektor erzeugten Projektionsbildes auch auf der Beobachtungsaufnahme bestimmt wird, so dass die beiden verglichenen Bildbereiche des Projektionsbildes sowie der Beobachtungsaufnahme bezüglich des Projektionsbildes eine weitgehend identische lokale Lage sowie weitgehend identische Ausmaße haben.
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Der im Wesentlichen »synchrone« Vergleich bedeutet, dass eine zeitliche Folge von Vergleichen durchgeführt wird, wobei zu einem bestimmten Zeitpunkt das zu diesem Zeitpunkt definierte Projektionsbild mit der der zum im Wesentlichen selben Zeitpunkt erhobenen Beobachtungsaufnahme des Projektionsbildes verglichen werden.
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Die Recheneinheit ist ferner ausgebildet zur Berechnung einer aus dem Vergleich der jeweiligen Bildbereichen abgeleiteten Größe sowie eines aus dieser Größe abgeleiteten Regelsignals, und, zur Ausgabe des Regelsignals an eine Fokussierungseinrichtung des Projektors.
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Ein wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens ist darin zu sehen, dass im Gegensatz zum Stand der Technik dem Prinzip einer Regelschleife bei der optischen Fokussierung gefolgt wird. Durch Auswerten von einem oder mehreren Bildpunkten, welche einerseits bezüglich ihres Orts und ihrer Abmessungen bekannt sind und andererseits eine bezüglich ihrer optischen Leistung und/oder ihres optischen Spektrums vorbekannte Modulation aufweisen, ist eine Fokussierung wesentlich schneller und präziser zu bewerkstelligen als dies in bislang bekannten Maßnahmen der Fall ist.
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Ein weiterer Vorteil der Erfindung ergibt sich durch eine Gestaltung der Messung anhand mindestens eines Bildbereichs. Eine Vorsehung eines entsprechend dimensionierten und platzierten Bildbereichs gestattet eine Fokussierung während der Abbildung eines im Rahmen einer Präsentation gewünschten Projektionsbildes, ohne dass ein spezielles Testbild, beispielsweise ein Linienraster, zur Projektion gelangen müsste.
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Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung ist eine Definition genau eines Bildbereich des Projektionsbildes vorgesehen und, entsprechend, ein Vergleich mit genau einem entsprechenden Bildbereichs der Beobachtungsaufnahme. Die aus dem Vergleich der jeweiligen Bildbereiche abgeleitete Größe wird als Signal-Rausch-Verhältnis bzw. SNR (»Signal to Noise Ratio«) ermittelt. Das Rauschen kann vorab oder während des Autofokussierungsvorganges gemessen werden. Eine geeignete Maßzahl für das Rauschen ist dabei die Standardabweichung des Intensitätswertes von unmodulierten Bildpunkten (»Pixel«) für eine mehrmals wiederholte Messung. Es ist auch möglich, für die Fokussierung geeignete Werte im Speicher der Recheneinheit zu hinterlegen. Weiterhin kann bei zu kleinem Pixelrauschen dieses künstlich erhöht werden. Dazu werden die auszuwertenden Pixel mit einer zufälligen Amplitude moduliert. In optischen Kategorien ausgedrückt entspricht das SNR dabei dem dynamischen Kontrast. Diese erste Ausführungsform der Erfindung weist den Vorteil eines relativ geringen Rechenaufwandes bei einer dessen ungeachtet raschen Konvergenz des Autofokussierungsverfahrens auf.
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Gemäß einer bevorzugten zweiten Ausführungsform der Erfindung ist eine Definition mindestens zweier Bildbereiche des Projektionsbildes vorgesehen, welche jeweils bezüglich ihrer optischen Leistung und/oder ihrer optischen Spektrums zeitperiodischen moduliert werden. Entsprechend ist ein jeweils synchroner und in bestimmten Ausführungsformen auch unabhängiger Vergleich des dem jeweiligen Bildbereich des Projektionsbildes entsprechenden Bildbereichs der Beobachtungsaufnahme mit dem jeweiligen Bildbereich des Projektionsbildes vorgesehen. Die zweite Ausführungsform der Erfindung bietet den Vorteil, das erfindungemäße Verfahren mit einem zwar leicht erhöhten Rechenaufwand zu betreiben, welcher jedoch durch den Vorteil einer präziseren und rascheren Konvergenz der Fokussierungsmaßnahmen aufgewogen wird. Eine Durchführung des Verfahrens anhand mehrerer Bildbereiche bietet nämlich den Vorteil einer vergleichenden Berechnung, durch welche Effekte vernachlässigbar sind, welche für eine Berechnung der aus dem Vergleich der jeweiligen Bildbereichen abgeleiteten Größe mit dem Ziel der optischen Fokussierung unnötig sind. Zu diesen vernachlässigbaren Effekten gehören beispielsweise die Eigenschaften des optischen Übertragungskanals sowie Spezifika der optischen Elemente des Projektors.
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Ein Ausführungsbeispiel mit weiteren Vorteilen und Ausgestaltungen der Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert.
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Dabei zeigt die:
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Fig.: ein Strukturbild zur schematischen Darstellung einer Einrichtung zur optischen Fokussierung eines durch einen Projektor projizierten Projektionsbildes.
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Die Figur zeigt eine mögliche Ausgestaltungsform der Erfindung mit einem Projektor PRJ zur Projektion eines Projektionsbildes auf eine Projektionsfläche SCR. Die auf der Projektionsfläche durch den Projektor darzustellenden Bilddaten VS werden beispielsweise über – einen nicht dargestellten – externen Rechner über eine Schnittstelle des Projektors PRJ zugeführt.
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Eine Recheneinheit CTR definiert zumindest einen Teil des vom Projektor PRJ erzeugten Projektionsbildes in Form von Fokussierungsbilddaten IS, welche von der Recheneinheit CTR an den Projektor PRJ zugeführt werden. Zur Durchführung einer Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen Fokussierungsverfahrens werden zwei zeitperiodisch bezüglich ihrer optischen Leistung modulierte Bildbereiche innerhalb des durch den Projektor PRJ erzeugten Projektionsbildes definiert.
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Diese Definition hat zur Folge, dass das durch den Projektor PRJ erzeugte Projektionsbild in einem innerhalb der definierten Bildbereiche begrenzten Bildbereich mit dem durch die Recheneinheit SCR definierten Bildbereich ersetzt wird. Im digital arbeitenden Projektor PRJ erfolgt diese Definition durch Verwendung der von der Recheneinheit CTR für die definierten Bildbereiche gelieferten Fokussierungsbilddaten IS statt der ursprünglich durch den Projektor PRJ vorgesehen Bilddaten.
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Zur Erstellung von Beobachtungsaufnahmen ist ein Detektor DTC vorgesehen, wobei eine jeweilige Beobachtungsaufnahme das Projektionsbild als Ganzes oder als Teil erfasst. Der Detektor DTC wird beispielsweise durch einen Flächendetektor mit Abbildungsoptik verwirklich, welcher mit mindestens fünf Millisekunden Zeitauflösung und -abstand nacheinander Beobachtungsaufnahmen vom projizierten Bild erzeugen kann. Dazu wird der Detektor auf die Projektionsfläche SCR ausgerichtet.
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Der Bildinhalt FDB der Beobachtungssaufnahme, genauer, räumlich aufgelösten Messwerte aus den Beobachtungsaufnahmen, werden vom Detektor DTC nach einem Regelschleifen-Prinzip einer Rückkopplung (»Feed Back«) an die Recheneinheit CTR übergeben.
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In der Recheneinheit CTR werden die Bildinhalt FDB der Beobachtungssaufnahme vergleichen und eine aus dem Vergleich der jeweiligen Bildbereiche abgeleitete Größe ermittelt. Aus dieser abgeleiteten Größe wird ein Regelsignal AS erzeugt, welches an eine – nicht dargestellte – Fokussierungseinrichtung des Projektors PRJ, beispielsweise einen Schrittmotor zur Einstellung des Objektivs, übergeben wird.
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Dabei kann sich die Recheneinheit CTR logisch vor oder, wie dargestellt, logisch nach dem Rückkanal FDB befinden. Die vorgeschlagene Autofokusmethode funktioniert am besten für Scharfstellmechanismen, die nur eine unabhängige Größe variieren, z. B. der Abstand zwischen Lichtquelle und Abbildungsoptik des Projektors.
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Es versteht sich von selbst, dass die Erfindung auch in alternativen Projektionsvarianten, beispielsweise unter Anwendung einer Rückenprojektionstechnik oder auch mit einer Bildschirmtechnik zu verwirklichen ist. Bei der besagten Bildschirmtechnik werden die Funktionen der Projektionsfläche SCR und des Projektors SCR verschmolzen in einen aktiv ansteuerbaren Bildschirm SCR.
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Der Erfindungsgedanke ist selbstverständlich auch in einer Weise zu verwirklichen, bei der die Steuereinheit SCR und der Projektor PRJ als eine einzige Funktionseinheit ausgeführt sind, wobei der gesamte Bildinhalt des Projektionsbildes, einschließlich der erfindungsgemäß vorgesehenen Bildbereich, von der Steuereinheit dieses Projektors definiert wird.
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Weiterhin sind im Rahmen der Erfindung Ausführungsformen zu verwirklichen, bei denen entweder eine weitergehende Trennung des Projektors PRJ von der Detektionseinheit DTC, als auch eine weitergehende Integration der besagten Funktionseinheiten vorgesehen ist.
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Eine Ausführungsform mit einer weitergehenden Trennung umfasst ein separates Gerät, beispielsweise eine als PDA (»Personal Digital Assistant«) ausgeführte mobile Einheit mit einer optischen Erfassungseinheit, welche für eine drahtlose Kommunikation mit der Steuereinheit CTR des Projektors PRJ geeignet ist. Über einen drahtlosen Datenrückkanal FDB werden, synchronisiert mit den Anforderungen der Steuereinheit CTR, Beobachtungsaufnahmen an die Steuereinheit CTR übergeben. In einer Weiterbildung dieser Ausführungsform ist auch die Verlagerung der Berechnungen durch die Recheneinheit CPU in auf dieser mobilen Einheit zu verwirklichen.
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Eine Ausführungsform mit einer weitergehenden Integration des Projektors PRJ mit der Detektionseinheit DTC umfasst Anordnungen, bei der beide genannten Komponenten in einem Gerät integriert sind.
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Das erfindungsgemäß eingesetzte Modulationsverfahren beruht darauf, nebeneinander oder nahe beieinander liegende Bildbereiche des projizierten Bildes dynamisch zu modulieren. Die räumlichen Ausmaße der Bildbereiche sind im Übrigen beliebig wählbar. Ihre untere Dimension ist, je nach der Güte der eingesetzten Optiken im Projektor PRJ sowie im Detektor DTC lediglich durch die Pixel-Auflösung begrenzt. Bei einer entsprechenden Wahl der Optik kann sich ein jeweiliger Bildbereich also auch über ein einziges Pixel erstrecken. Die räumlichen Ausmaße der Bildbereiche sind nach oben nur durch die Abmaße des Projektionsbildes begrenzt.
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Beim Modulationsverfahren wird die pro Bildbereich ausgesendete optische Leistung beispielsweise um einen konstanten Modulationsindex moduliert. Beide Bildbereiche werden mit der gleichen Wellenform moduliert, allerdings mit einer Phasendifferenz von π, so dass sich zwei gegenläufig modulierte Bildbereich ergeben, welche in wechselnder Reihenfolge verschiedene Lichtintensitäten durchlaufen. In einer alternativen Ausführungsform der Erfindung erfolgt eine Spektrumsmodulation, bei welcher verschiedene Farbwerte durchlaufen werden.
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Werden die integrierten Signale von beiden Bereichen numerisch subtrahiert, entsteht ein Differenzsignal, dessen Amplitude steigt, je besser die Fokussierung des Bildes ist.
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Die Berechnung der aus dem Vergleich der jeweiligen Bildbereichen abgeleiteten Größe, erfolgt also in der Weise, dass die optische Leistung eines ersten Bildbereichs und eines zweiten Bildbereichs jeweils räumlich integriert werden und die integrierte optische Leistung des ersten Bildbereichs subtrahiert wird von der integrierten optischen Leistung des zweiten Bildbereichs. Die abgeleitete Größe steigt, je besser die Fokussierung des Bildes ist. Entsprechend wird das Regelsignal AS so eingestellt, dass eine Steigerung der abgeleiteten Größe erreicht wird.
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Die Modulationsfrequenz wird vorzugsweise so eingestellt, dass diese außerhalb des Wahrnehmungsbereiches liegt, also beispielsweise oberhalb einer Abtastfrequenz des Projektors.
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Die Modulationsfrequenz wird vorzugsweise weiterhin so eingestellt, dass diese außerhalb des Bereiches für photosensitive Epilepsie liegt, also mehr als 70 Hz beträgt.
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Die Frequenz, mit der die Beobachtungsaufnahmen erhoben werden ist vorzugsweise ein ganzzahliges Vielfaches der Modulationsfrequenz.
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Die Beobachtungsaufnahme wird vorzugsweise mit der Modulationsfrequenz synchronisiert. Dazu können Standardverfahren aus der Nachrichtentechnik benutzt werden.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, nur zusammenhängende Pixelbereiche zu modulieren, um die Auswertung der Beobachtungsaufnahme möglichst einfach zu gestalten.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, jeweilige Kanten der Bildbereiche durch eine stark unterschiedliche Modulation identifizierbar zu machen. Wird eine Modulationsfrequenz f gewählt, kann eine Modulation der Kanten mit einer anderen Modulationsfrequenz erfolgen, beispielsweise mit einem Wert f/2 in Höhe der halben Modulationsfrequenz.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, alle Bereiche mit CDMA-Schlüsseln (»Code Division Multiple Access«) zu modulieren und für die Kanten einen anderen Schlüssel zu verwenden als für die Scharfstellbereiche selbst.
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Vorteilhafte Modulationsformate gehören zu der Familie der Puls-Amplituden-Modulation. Beispiele hierfür sind Sinusmodulation und OOK (»On-Off-Keying«).
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, das Signal eines jeweiligen Bildbereichs vor der Auswertung aufzusummieren. Dies hat unter anderem den Vorteil, dass intrinsisches Pixelrauschen, beispielsweise ein Quantisierungsrauschen im CCD (»Charge-Coupled Device«) des Detektors DTC, minimiert wird.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, nur solche Bereiche des Projektionsbildes auszuwählen, die eine Modulation noch zulassen, mit anderen Worten also Bereiche, deren Modulationspegel noch nicht gesättigt sind.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, eine räumliche Über-Abtastung der Beobachtungsaufnahme vorzunehmen. Dabei werden mindestens zwei Abtastpunkte in jeden modulierten Bildbereich gelegt.
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Falls das Projektionsbild ein unkontrolliertes Flackern aufweist, welches zum Beispiel durch eine Resonanz mit der Versorgungswechselspannung hervorgerufen sein kann, ist es vorteilhaft, die Modulation und die Beobachtungsaufnahmen nur sporadisch durchzuführen. Es ist dabei vorteilhaft, die Modulation und die Beobachtungsaufnahmen an zufällig ausgewählten Zeitpunkten durchzuführen. Es ist auch vorteilhaft, die gemessenen Signale von mehreren Messungen zu mitteln. Letzteres wird vor allem für relativ statische Bildinhalte wie zum Beispiel Folienpräsentationen empfohlen.
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Bei dynamisch veränderten Bildinhalten hingegen ist gemäß einer alternativen Weiterbildung der Erfindung vorgesehen, Intensitätsnormalisierungen durchzuführen. Hierbei wird die Intensität der modulierten Bildbereiche innerhalb eines Referenzbereiches gewählt bzw. eingestellt. Beispielsweise können zeitliche Phasen von Modulation und Nichtmodulation nahe aufeinander folgen, wobei der Messwert für die die Nichtmodulationsphasen zur Normalisierung herangezogen wird. Eine Alternative hierzu ist es, den Spitzenwert während einer Modulationsphase für die Normalisierung heranzuziehen. Eine weitere Alternative sind räumlich abgegrenzte Bereiche, die eine möglichst ähnliche Struktur und Ausleuchtung aufweisen wie der Modulationsbereich. Es ist insgesamt Vorteilhaft, jeweils nur normalisierte Werte für jeden Bereich auszuwerten.
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Es ist weiterhin vorteilhaft, die Größe der modulierten Bildbereiche and die Fokuseinstellung anzupassen. Bei unscharfer Einstellung sind die Bildbereiche relativ groß, für scharfe Einstellungen dagegen relativ klein zu wählen.
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Weiterhin kann bei Beginn der Fokussierung die vorliegende Schärfeneinstellung durch eine iterative Verkleinerung der Modulationsbereiche bestimmt werden. Hierbei werden die Modulationsbereiche streng monoton verkleinert, bis der Kontrast zwischen zwei Modulationsbereichen oder, bei Verwendung lediglich eines Modulationsbereiches gemäß einer alternativen Ausführungsform der Erfindung, dem Modulationsbereich und dem Rauschen wieder abnimmt. Die Bereichseinstellung vor dieser Abnahme ist dann die optimale Bereichseinstellung für eine weitere Fokussierung.
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Bei der Durchführung einer Fokussierung ist es vorteilhaft, den Kontrast bei mehreren aufeinanderfolgenden Fokuseinstellungen zu messen und aus der dadurch ermittelten Kurve das Maximum zu ermitteln. Dies kann durch Interpolation oder Wahl des am nahest gelegenen Fokuspunktes geschehen.
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Bei Bedarf kann ein Bereich des projizierten Bildes gewählt werden, der optimiert fokussiert werden soll, beispielsweise ein darzustellendes komplexes Diagramm.
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Die vorgeschlagene Modulation kann bei einer oder mehrer der zur Projektion verwendeten Elementarfarben durchgeführt werden. In letzterem Fall ist darauf zu achten, dass der Farbschwerpunkt jedes modulierten Pixels bewahrt wird.
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Es ist außerdem möglich, das erfindungsgemäße Verfahren mit nicht sichtbarem Licht, beispielsweise im Infrarotbereich, durchzuführen und für Überwachungskameras in dunklen Bereichen einzusetzen.
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Bei der Modulation nur einer Farbe ist es außerdem vorteilhaft, die Beobachtungsaufnahme mit einem angepassten optischen Filter vorzunehmen.
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Die Erfindung ermöglicht zusammenfassend eine Autofokussierung von projizierten statischen oder bewegten Bildern während einer Präsentation. Dazu ist kein Testbild notwendig, d. h. die Autofokussierung kann direkt mit dem Nutzbild durchgeführt werden. Die Erfindung ermöglicht in besonderer Weise eine Fokussierung von kontrastarmen Bildern.
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Weiterhin ist ein vorteilhafter Einsatz der Erfindung bei wackelnden Projektoren möglich, beispielsweise von in der Hand gehaltenen Projektoren.
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Die durch die Erfindung ermöglichte dynamische Fokussierung ist von steigender Bedeutung, je kleiner und je energieeffizienter Projektoren werden, so dass diese verstärkt durch veränderliche Umweltbedingungen wie die Raumtemperatur beeinflussbar sind.
